Кіріспе
Кванттық механикада екі күй жүйесі (сонымен қатар екі деңгейлі жүйе деп те аталады) – екі тәуелсіз (физикалық тұрғыдан ажыратылатын) кванттық күйдің кез келген кванттық суперпозициясында болуы мүмкін кванттық жүйе. Мұндай жүйені сипаттайтын Гильберт кеңістігі екі өлшемді болып табылады. Сондықтан, кеңістікті толық қамтитын негіз екі тәуелсіз күйден тұрады. Кез келген екі күй жүйесі кубит ретінде де қарастырылуы мүмкін. Екі күй жүйелері – қызығушылық тудыратын ең қарапайым кванттық жүйелер, себебі бір күй жүйесінің динамикасы тривиальды (басқа күйлердің болмауына байланысты). Екі күй жүйелерін талдау үшін қажетті математикалық құралдар – екі өлшемді кеңістіктердің сызықтық дифференциалдық теңдеулері және сызықтық алгебрасы. Нәтижесінде, екі күй жүйесінің динамикасын ешқандай жуықтаусыз аналитикалық түрде шешуге болады. Жүйенің жалпы мінез-құлқы – толқындық функцияның амплитудасы екі күй арасында тербеліседі. Екі күй жүйесінің өте белгілі мысалы – спин 1/2 бөлшегінің спині, мысалы, электронның спині +ħ/2 немесе -ħ/2 мәнін қабылдауы мүмкін, мұнда ħ – қысқартылған Планк тұрақтысы. Екі күй жүйесі сіңіру немесе ыдырауды сипаттау үшін қолданыла алмайды, өйткені мұндай процестерге үздіксіз ортамен байланыс қажет. Мұндай процестер амплитудалардың экспоненциалдық түрде азаюын қамтиды, бірақ екі күй жүйесінің шешімдері тербелісті болып келеді.
In quantum mechanics, a two state system (also known as a two level system) is a quantum system that can exist in any quantum superposition of two independent (physically distinguishable) quantum states. The Hilbert space describing such a system is two dimensional. Therefore, a complete basis spanning the space will consist of two independent states. Any two state system can also be seen as a qubit. Two state systems are the simplest quantum systems that are of interest, since the dynamics of a one state system is trivial (as there are no other states the system can exist in). The mathematical framework required for the analysis of two state systems is that of linear differential equations and linear algebra of two dimensional spaces. As a result, the dynamics of a two state system can be solved analytically without any approximation. The generic behavior of the system is that the wavefunction's amplitude oscillates between the two states. A very well known example of a two state system is the spin of a spin 1/2 particle such as an electron, whose spin can have values +ħ/2 or −ħ/2, where ħ is the reduced Planck constant. The two state system cannot be used as a description of absorption or decay, because such processes require coupling to a continuum. Such processes would involve exponential decay of the amplitudes, but the solutions of the two state system are oscillatory.
Статикалық қобалжыудың Раби формуласы
Жүйе негізгі күйлердің бірінде басталады деп есептейік, мысалы, , осылайша , және уақытқа тәуелсіз гамильтониан болғанда әрбір негізгі күйдің қандай уақытта толу ықтималдығына қызығушылық танытамыз. i күйінің толу ықтималдығы бастапқы күйде , ал жоғарыдан , демек, бастапқы жағдайға байланысты. Жиілік жалпыланған Раби жиілігі деп аталады, жиілік Раби жиілігі деп аталады, ал детунинг деп аталады. Детунинг нөлге тең болғанда, яғни, 1-ші күйдің толуы кепілді түрде 2-ші күйдің толуына, содан кейін қайта 1-ші күйге ауысады, және т.б., жиілігімен Раби ауысуы (flopping) жүреді. Детунинг нөлден алшақтаған сайын, ауысу жиілігі артады (Ω-ға дейін) және электронды қоздыру амплитудасы азаяды. Уақытқа тәуелді гамильтониандар, жарық толқындарынан туындаған жағдайларда, Раби циклы және айналма толқын жуықтауы (rotating wave approximation) туралы мақалаларға қараңыз.
Obviously, due to the initial condition. The frequency is called the generalised Rabi frequency, is called the Rabi frequency, and is called the detuning. At zero detuning, , i. e., there is Rabi flopping from guaranteed occupation of state 1, to guaranteed occupation of state 2, and back to state 1, etc., with frequency As the detuning is increased away from zero, the frequency of the flopping increases (to Ω) and the amplitude of exciting the electron decreases to
For time dependent Hamiltonians induced by light waves, see the articles on Rabi cycle and rotating wave approximation.
Уақытқа тәуелді өрістің эволюциясы: Ядролық магниттік резонанс
Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) екі күйлі жүйелер динамикасының маңызды мысалы болып табылады, себебі ол уақытқа тәуелді Гамильтон операторының нақты шешімін қамтиды. ЯМР құбылысы ядроны күшті, тұрақты "B'0" өрісіне ("ұстау өрісі") орналастыру және содан кейін ωr радиожиілігінде тербелетін әлсіз, көлденең "B'1" өрісін қолдану арқылы жүзеге асырылады. Нақтырақ айтқанда, ұстау өрісіндегі спин 1/2 бөлшегін және 'B'0 өрісінің айналу осімен оң жаққа айналатын xy жазықтығындағы көлденең rf өрісін қарастырайық: еркін прецессия жағдайындағыдай, Гамильтон операторы , ал күй векторының эволюциясы уақытқа тәуелді Шредингер теңдеуін шешу арқылы табылады. Кейбір түрлендірулерден (төмендегі жиынтықталған бөлімде келтірілген) кейін, Шредингер теңдеуінің мынадай түрге келетіні көрсетіледі: мұнда және . Алдыңғы бөлімде айтылғандай, бұл теңдеудің шешімі Блох векторының вектордың екі еселенген шамасымен айналуын көрсетеді. Егер жеткілікті күшті болса, айналу өрісі енгізілгенге дейін спиндердің бір бөлігі тікелей төмен қарай бағытталған болады. Егер айналатын магнит өрісінің бұрыштық жиілігі осылай таңдалса, айналу шеңберінде күй векторы жиілікпен айналып, төменнен жоғарыға ауысып, байқалатын фотондар түрінде энергияны босатады. Бұл ЯМР-дың негізгі принципі болып табылады және практикада үлгі резонанстық жиілікті таба алатындай етіп сканирленеді, осы кезде үлгі жарық шығарады. Осыған ұқсас есептеулер атомдық физикада да жүргізіледі, ал егер өріс айналмай, күрделі амплитудамен тербелсе, онда мұндай нәтижелерді алу үшін айналу толқынының жуықтамасы қолданылады.
As in the free precession case, the Hamiltonian is , and the evolution of a state vector is found by solving the time dependent Schrödinger equation After some manipulation (given in the collapsed section below), it can be shown that the Schrödinger equation becomes
where and
As per the previous section, the solution to this equation has the Bloch vector precessing around with a frequency that is twice the magnitude of the vector. If is sufficiently strong, some proportion of the spins will be pointing directly down prior to the introduction of the rotating field. If the angular frequency of the rotating magnetic field is chosen such that , in the rotating frame the state vector will precess around with frequency , and will thus flip from down to up releasing energy in the form of detectable photons. This is the fundamental basis for NMR, and in practice is accomplished by scanning until the resonant frequency is found at which point the sample will emit light. Similar calculations are done in atomic physics, and in the case that the field is not rotating, but oscillating with a complex amplitude, use is made of the rotating wave approximation in deriving such results.
Қолданылу мерзімі
Екі күйлі жүйелер – табиғатта кездесетін ең қарапайым, тривиальді емес кванттық жүйелер. Бірақ жоғарыда аталған талдау әдістері тек қарапайым екі күйлі жүйелер үшін ғана емес, кез келген көп күйлі кванттық жүйеге де қолданылады, егер зерттелетін байқаналатын шама екі өзіндік мәнге ие болса. Мысалы, спин 1/2 бөлшегінің іс жүзінде қосымша трансляциялық және тіпті айналу еркіндік дәрежелері болуы мүмкін, бірақ бұл дәрежелер аталған талдау үшін маңызсыз. Математикалық тұрғыдан алғанда, ескерілмеген еркіндік дәрежелері спин өзіндік мәндерінің дегенерациясына сәйкес келеді. Тиімді екі күйлі формализмнің қолданылуына тағы бір жағдай – қарастырылып отырған жүйеде жүйеден тиімді оқшауланған екі деңгейдің болуы. Бұл атомдардың спонтанды немесе стимулданған жарық шығаруын және зарядтық кубиттерді талдау кезінде кездеседі. Мұндай жағдайда, бұзылыстардың (сыртқы өріспен өзара әрекеттесу) қажетті диапазонда екенін және қызығушылық тудыратын күйлерден басқа күйлерге өтуге себеп болмайтынын есте ұстау қажет.
Мағынасы және басқа мысалдар
Педагогикалық тұрғыдан алғанда, екі күй формализмі кванттық жүйелерді талдау үшін қолданылатын ең қарапайым математикалық әдістердің бірі болып табылады. Оны фотонның поляризациялық күйлеріндегі бөлшектердің интерференциясы сияқты негізгі кванттық механикалық құбылыстарды, сондай-ақ нейтрино осцилляциясы немесе бейтарап K мезон осцилляциясы сияқты күрделі құбылыстарды иллюстрациялау үшін қолдануға болады. Екі күй формализмі күйлердің қарапайым араласуын сипаттауға мүмкіндік береді, бұл резонанстық тұрақтандыру және басқа деңгейлерді қиып өтуге байланысты симметриялар сияқты құбылыстарға алып келеді. Мұндай құбылыстар химияда кеңінен қолданылады. Мазер және лазер сияқты өте маңызды өнеркәсіптік қолданысқа ие құбылыстарды екі күй формализмін пайдалану арқылы түсіндіруге болады. Екі күй формализмі сонымен қатар кванттық есептеудің негізін құрайды. Кванттық компьютердің құрылыс бөліктері болып табылатын кубиттер – екі күйлі жүйелердің өзі. Кез келген кванттық есептеу операциясы – Блох сферасындағы күй векторын айналдыратын унитарлық операция болып табылады.